ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №12

УДК: 535.36; 621.396.11

Спектральная зависимость коэффициента поглощения

микроволнового излучения в тающем снеге

В.А. Голунов

ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал

141190, Фрязино, пл. Введенского, 1

Статья поступила в редакцию 11 сентября 2024 г.

Аннотация. В данной работе исследована возможность описания изменения диэлектрических параметров снега на начальной стадии его таяния на частотах 22.2, 37.5, 94, 150 и 300 ГГц. Были использованы четыре модели смешения воздуха и сферических частиц льда и воды: «сухой снег-вода», «лед-вода-воздух», «влажный лед-воздух» и «сухой снег-вода». Диэлектрические параметры тающего снега рассчитывались по следующим формулам комплексной диэлектрической проницаемости: формула Максвелла Гарнета для двухкомпонентной смеси «сухой снег-вода», формула трехфазной смеси для модели «лед-вода-воздух», формулы Максвелла Гарнетта и Винера для двухкомпонентной смеси «лед-вода» и формула Максвелла Гарнетта для смеси «влажный лед-воздух». Установлено что модели «влажный лед-воздух» (с применением формулы Винера для расчета комплексной диэлектрической проницаемости влажного льда) и «лед-вода-воздух» приводят к почти совпадающим результатам, в то время как результаты двух других моделей заметно отличаются. С другой стороны, все модели показали, что экстремум спектра мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости тающего снега расположен на частоте 94 ГГц. Применимость перечисленных выше моделей для расчета коэффициента поглощения тающего снега со сферическими частицами льда и воды верифицировалась результатами соответствующих расчетов с использованием теории Ми для практически не рассеивающих частиц льда размером 10 мкм при их объемной плотности 0.2; 0.4 и объемной плотности воды 0.005, 0.01, 0.02 и 0.03. Установлено, что в полосе частот 22…300 ГГц частотная зависимость коэффициента поглощения тающего снега удовлетворительно описывается моделью «влажный лед-воздух» при двукратном использовании формулы Максвелла Гарнетта.

Ключевые слова: комплексная диэлектрическая проницаемость, микроволны, тающий снег, спектр поглощения, теория Ми.

Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Автор для переписки: Голунов Валерий Алексеевич, golsnow@mail.ru

Литература

1. Kennedy J.M., Sakamoto R.T. Passive microwave determinations of snow wetness factors (Passive microwave determination of snow wetness factors) // 1966. – 1966. – С. 161-171.

2. Ulaby F.T., Stiles W.H. The Active and Passive Microwave Response to Snow Parameters. 1. Wetness // J. Geophysical Research. – 1980. – Vol. 85. – №. C2. – P. 1037-1044. https://doi.org/10.1029/JC085iC02p01037

3. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Учет стратиграфии снежного покрова при моделировании его излучательной способности в СВЧ диапазоне // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. – 1999. – Т. 42. – №. 9. – С. 845-857.

4. Голунов В.А. Спектральные особенности теплового излучения тающего снежного покрова // XIV Всес. конф. по распр. р/волн. Тезисы докладов, часть 2. – Ленинград, 1982. – С. 193-195.

5. Кузнецов И.В., Федосеев Л.И., Швецов А.А. Радиометрия снежного покрова в коротковолновой части миллиметрового диапазона // Изв. высш. уч. зав.-Радиофизика. – 1997. – Т. 40. – №. 9. – С. 1113.

6. Colbeck S.C. The geometry and permittivity of snow at high frequencies // J. Appl. Physics. – 1982. – V.53. – P.4495-4500. https://doi.org/10.1063/1.331186

7. Tiuri M. et al. The complex dielectric constant of snow at microwave frequencies // IEEE Journal of oceanic Engineering. – 1984. – Т. 9. – №. 5. – С. 377-382. https://doi.org/10.1109/JOE.1984.1145645

8. Hallikainen M., Ulaby F., Abdelrazik M. Dielectric properties of snow in the 3 to 37 GHz range // IEEE transactions on Antennas and Propagation. – 1986. – Т. 34. – №. 11. – С. 1329-1340. https://doi.org/10.1109/TAP.1986.1143757

9. Denoth A. Snow dielectric measurements //Advances in Space Research. – 1989. – Т. 9. – №. 1. – С. 233-243. https://doi.org/10.1016/0273-1177(89)90491-2

10. Sihvola A. Electromagnetic Mixing Formulae and Applications. – London, U.K., The Institution of Engineering and Technology, 1999. P. 284.

11. Sihvola A. Mixing rules with dielectric coefficients // Subsurface technologies and applications. – 2000. -Vol. 1. – №. 4. – P. 393-415. https://doi.org/10.1023/A:1026511515005

12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. – Гостехиздат, 1957. – Т. 68.

13. Голунов В.А., Коротков В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом. Итоги науки и техники, сер // Радиотехника. – 1990. – Т. 41. – С. 68-136.

14. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. – Гидрометеоиздат, 1972. – 378 с.

15. Prahl S. et al. Mie scattering calculator. – 2007. Date of access 07.08.2024. URL: https://omlc.org/calc/mie_calc.html

Для цитирования:

Голунов В.А. Спектральная зависимость коэффициента поглощения микроволнового излучения в тающем снеге. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.9